CN106961011B - 超宽带全向微带天线阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信技术领域,具体为一种超宽带全向微带天线阵列。该天线阵列包含:介质基板、四对偶极子天线、四对引向器、一分四功分器和宽带巴伦结构;所述的四对偶极子按2x2结构的排布,通过一分四功分器与宽带巴伦的一端连接,宽带巴伦另一端连接到SMA接头,四对引向器分别位于对应的四对偶极子的前方;所述每一对偶极子均包含两个偶极子臂,这两个偶极子臂分别刻蚀在介质基板的上表面和下表面;两个偶极子臂结构相同,并为中心对称。本发明天线阵列可改善天线全向辐射特性,具有超宽带、高全向性特性,同时结构简单、低成本、易于加工。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域,具体地涉及一种超宽带全向微带天线阵列。
背景技术
现代无线通信系统的发展与天线技术的进步密不可分,而全向天线可以在水平面内360º均匀辐射电磁波(即增益不圆度不超过3 dB),因此多应用于大范围覆盖,单点对多点通信系统中,如日常生活的广播电视、移动通信射频识别等场合;军事上全向天线应用于卫星通信,雷达传感器网络等领域。Ku波段主要应用于卫星通讯以及航空领域(如机场地面交通定位、机载wi-Fi)等。
近几十年来研究者们设计了各种类型的全向天线,主要分为单极子天线及变形;偶极子天线及变形;共轴天线等。但受制于Ku波段频率较高,电尺寸小,所设计的全向天线大多工作在较低频段(如L波段、X波段等),仅有的工作在Ku波段的全向天线又无法同时满足高增益、超宽带、轻质、易组阵等特性。通过对现有技术文献的检索发现中国专利“一种Ku波段全向天线”(申请号201210288659.2),涉及一种工作在Ku波段的全向天线,该天线利用N(N取值5-12)个喇叭天线排列成圆周阵和一个一分N路的功率分配器组成天线整体,每个喇叭天线辐射一定的角度范围,N个喇叭实现360º均匀辐射,然而该天线仅工作在15-17GHz(VSWR<1.5),并未完全覆盖Ku波段(12- 18 GHz),此外相对于微带天线,喇叭天线质量较重,N个喇叭天线组成的天线整体尺寸偏大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷,提供一种新型超宽带全向微带天线阵列,天线在整个Ku波段实现360º均匀辐射的同时,整体结构简单、轻质、易加工。
本发明提供的新型超宽带全向微带天线阵列,其结构如图1、图2、图3所示,包括介质基板1、四对偶极子2、四对引向器3、一对一分四功分器4和宽带巴伦5。其中,所述的四对偶极子2按2x2 (即2行2列)结构的排布,通过一分四功分器4和宽带巴伦5的一端连接,宽带巴伦5另一端连接到SMA接头,四对引向器3分别位于对应的四对偶极子2的前方;其中:
所述每一对偶极子2均包含两个偶极子臂,这两个偶极子臂分别刻蚀在介质基板1上表面和下表面;两个偶极子臂结构相同,并为中心对称。这里介质基板可采用罗杰斯5880(下同)。
本发明中,所述的四对偶极子共八个偶极子臂,每个偶极子臂均由两个扇形金属贴片组成,两个扇形贴片宽度相同,长度不同。
本发明中,所述的偶极子臂的两个扇形贴片呈上下分布,从而构成蝴蝶结结构,且长度较长的扇形贴片(为偶极子输入端)与功分器4连接。
本发明中,所述的一对(即两个)一分四功分器4结构相同(例如均为T型结构,先一分二,再二分四),两个一分四功分器4分别刻蚀在介质基板1上、下表面的相同位置。
本发明中,所述的宽带巴伦5包括线性渐变馈线和类半圆形地板,其中线性渐变馈线刻蚀在介质基板1的上表面,类半圆形地板刻蚀在介质基板1的下表面。
本发明中,所述的宽带巴伦的线性渐变馈线长度为波长的三分之一到五分之三,类半圆形地板半径为波长的五分之一到三分之一。
本发明中,所述的宽带巴伦5一端阻抗为90欧姆,连接到一分四功分器4的输入端,宽带巴伦5的另一端阻抗为50欧姆,连接到SMA接头。
本发明中,所述的引向器3为矩形金属贴片结构,置于每对偶极子的前方,距离偶极子为波长的六分之一到四分之一,引向器长度为波长的五分之一到三分之一;两个矩形贴片构成一对引向器,这两个矩形贴片分别刻蚀在介质基板1上、下表面相同位置。
本发明中,所述的所用金属贴片均可采用铜箔,厚度宜为0.02—0.05 mm,实施例中,厚度为0.035 mm。
文献检索的结果表明,尚未有微带天线阵列实现覆盖整个Ku频段的全向辐射特性。本发明合理的设计了宽带巴伦结构,发挥了蝴蝶结形偶极子本身具有的宽带特性,同时增加的引向器结构极大的改善了天线阵列的全向辐射特性。仿真结果表明:天线阵列再11.8 –18 GH频率范围内| S11| <-10 dB,相对阻抗带宽超过40%,天线阵列水平面平均增益(即水平面各个角度增益求和取均值)在1.7 dBi到4.1 dBi,整个Ku波段内,不圆度不超过2.5 dB。天线阵列整体尺寸为30×20×0.508mm3 (长×宽×高),并且具有结构简单、轻质、易加工等优点。
附图说明
图1为本发明新型超宽带全向微带天线阵列整体结构示意图。
图2为本发明新型超宽带全向微带天线阵列正面结构示意图。
图3为本发明新型超宽带全向微带天线阵列反面结构示意图。
图4为本发明新型超宽带全向微带天线阵列S参数仿真结果。
图5为本发明新型超宽带全向微带天线阵列平均增益、不圆度仿真结果。
图6为本发明新型超宽带全向微带天线阵列辐射方向图仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1-3所示,本发明提供了一种新型超宽带全向微带天线阵列,中心频率15GHz,整体尺寸30×20×0.508mm3(长×宽×高),本实施例包括:包括介质基板1、四对偶极子2、四对引向器3、一对一分四功分器4、宽带巴伦5。
如图2、3所示,本实施例所述的四对偶极子2按2x2 结构的排布,通过一分四功分器4和宽带巴伦5的一端连接,宽带巴伦5另一端连接到SMA接头,每对偶极子的前方均刻蚀了一对引向器;所述每一对偶极子均包含两个偶极子臂,分别刻蚀在罗杰斯5880介质1的上表面和下表面;所述的两个偶极子臂结构相同,并为中心对称;罗杰斯介质尺寸20×30mm2,介电常数2.2,损耗正切角0.0009。
如图2、3所示,所述的四对共八个偶极子臂,每个偶极子臂均由两个扇形贴片组成,两个扇形贴片宽度相同,长度不同;所述的两个扇形贴片呈上下分布,从而构成蝴蝶结结构;偶极子臂的长度决定天线的谐振频率,宽度决定阻抗匹配的好坏,偶极子臂的间距影响天线增益,初始尺寸根据经验公式得到,再经过全波仿真软件HFSS v15优化,最终得到偶极子臂的长度7.2 mm,x方向间距7 mm,z方向间距8 mm。
如图2、3所示,所述的一对一分四功分器4结构相同(均为T型结构,先一分二,再二分四),分别刻蚀在罗杰斯5880介质1上、下表面的相同位置,功分器4的输出端连接到偶极子臂的输入端(即长扇形贴片),功分器4的输入端连接到宽带巴伦5。
如图2、3所示,所述的宽带巴伦5包含线性渐变馈线和类半圆形地板,其中线性渐变馈线刻蚀在罗杰斯5880介质1的上表面,类半圆形地板刻蚀在介质的下表面;所述的宽带巴伦的线性渐变馈线长度为10 mm,类半圆形地板半径约为6mm;所述的宽带巴伦5一端阻抗约为90欧姆,连接到一分四功分器4的输入端,宽带巴伦5的另一端阻抗为50欧姆,连接到SMA接头。
如图2、3所示,所述的引向器3为矩形贴片结构,长度为4.6 mm,宽度0.5 mm,置于每对偶极子2的前方,距离为3.9 mm;刻蚀在罗杰斯介质1上、下表面相同位置的两个矩形贴片构成一对引向器。
如图4所示,本实施例所述的频率特性包括回波损耗参数。其中横坐标代表频率变量,单位为GHz,纵坐标代表回波损耗变量。仿真结果表明本发明的超宽带全向微带天线阵列在11.8–18 GHz频率范围内,|S11|<-10 dB,相对阻抗带宽超过40%,覆盖整个Ku波段。
如图5所示,本实施例所述的频率特性包括平均增益、不圆度参数。其中横坐标代表频率变量,单位为GHz,左纵坐标代表增益变量,单位dBi,右纵坐标代表不圆度变量。本发明的超宽带全向微带天线阵列平均增益为1.7 dBi到4.1 dBi,不圆度不超过2.5 dB。
如图6所示,本实施例所述的超宽带全向微带天线在12GHz、14GHz、16GHz和18GHz的天线辐射方向图分别如图6(a)、6(b)、6(c)、6(d)所示,由图可见天线阵列在Ku波段内可以很好地保持H面的全向辐射特性,E面辐射方向图为“8”字型。
本发明的技术方案不限于上述具体事实例的限制,如本发明为Ku波段全向微带天线,改变尺寸可适用于微波波段,凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形,均落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种超宽带全向微带天线阵列,其特征在于,包括:介质基板、四对偶极子、四对引向器、一对一分四功分器和宽带巴伦;其中,所述的四对偶极子按2x2结构的排布,通过一分四功分器与宽带巴伦的一端连接,宽带巴伦另一端连接到SMA接头,四对引向器分别位于对应的四对偶极子的前方;
所述每一对偶极子均包含两个偶极子臂,这两个偶极子臂分别刻蚀在介质基板的上表面和下表面;两个偶极子臂结构相同,并为中心对称;
所述的四对偶极子共八个偶极子臂,每个偶极子臂均由两个扇形金属贴片组成,两个扇形贴片宽度相同,长度不同。
2.根据权利要求1所述的超宽带全向微带天线阵列,其特征在于,所述的偶极子臂的两个扇形贴片呈上下分布,构成蝴蝶结结构,且长度较长的扇形贴片为偶极子输入端,与功分器连接。
3.根据权利要求1或2所述的超宽带全向微带天线阵列,其特征在于,所述的一对一分四功分器结构相同,两个一分四功分器分别刻蚀在介质基板的上、下表面的相同位置。
4.根据权利要求3所述的超宽带全向微带天线阵列,其特征在于,所述的宽带巴伦包括线性渐变馈线和类半圆形地板,其中线性渐变馈线刻蚀在介质基板的上表面,类半圆形地板刻蚀在介质基板的下表面。
5.根据权利要求1、2或4所述的超宽带全向微带天线阵列,其特征在于,所述的宽带巴伦的线性渐变馈线长度为波长的三分之一到五分之三,类半圆形地板半径为波长的五分之一到三分之一。
6.根据权利要求5所述的超宽带全向微带天线阵列,其特征在于,所述的宽带巴伦一端阻抗为90欧姆,连接到一分四功分器的输入端,宽带巴伦的另一端阻抗为50欧姆,连接到SMA接头。
7.根据权利要求1、2、4或6所述的超宽带全向微带天线阵列,其特征在于,所述的引向器为矩形金属贴片结构,置于每对偶极子的前方,距离偶极子为波长的六分之一到四分之一,引向器长度为波长的五分之一到三分之一;两个矩形贴片构成一对引向器,这两个矩形贴片分别刻蚀在介质基板上、下表面相同位置。
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